OVO, или что такое колесо

Что такое колесо? Страшная загадка. Начнем, как древние начинали обед, ab ovo — «от яйца». А именно — от колеса, без которого о велосипедах не пришлось бы даже и говорить. Простой вопрос — что такое колесо, за­чем оно на самом деле нужно, и как работает, способен поставить в тупик почти любого в век компьютеров и интернета. А в XIX веке об этом знал каждый первый «хорошист», но то был век угля, пара и механики.

Представим себе велосипед, он же байк, первой половины XIX века, утеху молодых английских аристократов, сливок тогдашнего общества. Крепкая свежесрубленная деревянная рама из ценных пород дерева, мягкое плюшевое сиденье и пара тщательно сделанных, изящных дере­вянных колес диаметром 1 метр, надетых на деревянные 3-сантиметровые оси. Никаких, разумеется, шариковых или роликовых подшипников нет, а смазку, как назло забыли положить. Итак, юный денди обкатывает свой новый велосипед. Отталкиваясь ногами от деревянной же мостовой, с легким скрипом он «стремительно» летит вперед.

Проделаем эксперимент — остановим денди. Как? Элементарно. Палки в колеса, и порядок! А затем попробуем сдвинуть его с места дружными усилиями. Попробовали — тяжело! Если денди вместе с байком весит 100 кг, то нам надо приложить аж 60 кг силы! Хорошо, освободим колеса. Теперь байк с седоком можно легко катить «одной левой», при­кладывая всего-навсего усилие, равное 1,8 кг. Удивительно! И тем более удивительно, что по сути ничего не изменилось. Деревянная ступица все так же скользит без смазки по деревянной оси. То же самое деревянное колесо скользит по деревянной мостовой. Трение, вес — все то же самое (вес колес для простоты не учитываем). А разница в прилагаемых усилиях гигантская — более чем в 33 раза! Но почему?

Объяснение сему факту весьма простое. Надев колесо большого диа­метра на ось, мы не меняем силу трения между втулкой и осью, однако мы меняем энергию, которую необходимо затратить, чтобы переместить предмет, в данном случае — велосипед, на заданное расстояние по ровной дороге. Действительно, прикинем: диаметр колеса (1 м) больше, чем диаметр оси (3 см) в 33,3 раза. При перекатывании байка на 10 метров трущиеся поверхности в системе «ось-втулка» проскользнут друг по другу только на 30 см.

Вероятно, в этом все и дело! Надев колеса на оси, мы меняем не силу трения между поверхностями оси и втулки, а расстояние, на котором действует эта сила. Меньше расстояние, значит, меньше работа, на совер­шение которой надо потратить меньше энергии. Но раз система «колесо — ось» расходует на преодоление заданного расстояния меньше энергии, то и сила тяги, которую надо приложить к этой системе для приведения ее в движение, будет меньше. Аналогия здесь прозрачная. Гайка держится на болте силой трения. Открутить ее рукой невозможно, для этого нужен гаечный ключ, но длинным гаечным ключом легче открутить гайку, чем коротким. Колесо — это рычаг, только специальной, круглой формы.

Для современного горного велосипеда со стандартными колесами с шинами диаметром 26 дюймов, и диаметром оси по конусу около 1,5 см, это соотношение равно примерно 43. Когда колесо прокатится 10 метров, в системе «ось-втулка» пробег составит только 23 см. Таким образом, ко­лесо в 26 дюймов, укрепленное на оси диаметром около 1,5 см, устраняет более 97,5% силы трения во втулке. С остальными 2,5% частично помогает справиться смазка. Хотя главное назначение смазки — предотвращать износ ходовой части. У велосипедов с колесами 27 дюймов это соотноше­ние еще больше, и катить их, соответственно, легче.

Но ведь во втулке есть еще и шарики! Благодаря ним мы имеем под­шипник качения, который практически «убивает» оставшиеся проценты

трения. Насколько эффективны подшипники качения, можно судить по тележкам в супермаркетах. Без подшипников их маленькие колесики упорно не желают катиться.

Диаметры колес

Помыслим для начала о диаметре колеса в его диалектическом разви­тии. В первой половине XIX века на это не обращали особого внимания, брали, что есть. Например, от кареты, или строили колеса, исходя из длины ног заказчика, дабы ему удобно было отталкиваться от земли, сидя в седле.

Во второй половине века педали прочно укоренились на оси перед­него колеса, диаметр которого стал возрастать для увеличения скорости качения. Вес седока перераспределился в основном на большое, диаметром 1,5 метра переднее колесо, заднее же было загружено весьма слабо. Такой велосипед легко катился, запросто разгонялся до 20-25 км/ч и обеспечивал приемлемый комфорт, несмотря на бронзовые подшипники скольжения и отсутствие пневматических шин. Такое сочетание привело в 1870-х годах к расцвету велосипедов типа «паук». Ведь чем больше соотношение диаметра колеса к диаметру оси, тем эффективнее работает колесо как рычаг; чем больше диаметр колеса, тем меньше его сопротивление качению, и тем лег­че оно катится по дороге. А еще, чем больше колесо, тем меньше его трясет и подбрасывает на мелких колдобинах, это уже из чистой геометрии. Боль­шое колесо на небольших неровностях теряет меньше энергии, чем колесо малого диаметра. Поэтому даже булыжная мостовая — обычное городское дорожное покрытие того века не лишало поездку некоего комфорта.

Но почему-то таких велосипедов уже давно не делают. Их недостатки, і-сак оказалось, перевесили их достоинства. Большое колесо имеет большой вес и момент инерции, раскрутить его нелегко, это заметно ухудшает ди­намику. А самое главное — велосипед получился очень высоким. Управлять «пауком» было нелегко. Садиться на него или слезать на землю без посто­ронней помощи было крайне трудно. Судьбу «пауков» решили изобретение цепной передачи с приводом на заднее колесо и возврат к safety cycle — безо­пасным велосипедам с одинаковыми колесами. В 90-х годах XIX века стали стандартными три размера колес: диаметром в 27,26 и 24 дюйма (напомним, 1 дюйм равен 25,4 мм). Причем размер 24 дюйма чаще применялся как для прогулочных, так и для военных складных велосипедов, у которых главную роль играли прочность, компактность и небольшой вес.

За сто с небольшим лет ситуация изменилась мало. Размер 27” (68,58 см) царствуют среди гоночных шоссейников, кроссовых, дорожных и гибридов. Колеса в 26” (66,04 см) прочно закрепились за МТВ разных мастей, а также за дорожными и прогулочными велосипедами, ситибайками и т. д. Колеса размером 24” (60,96 см) широко используются для складных и подрост­ковых велосипедов, а также стали весьма полезными для экстремальных байков. Любители скоростного спуска, дерт-джампинга, дропинга, урбан-

Рис. 3.2. Угол атаки при наезде Проходимость на небольших на препятствие кочках и на песке у колеса для колес разных диаметров диаметром 29" лучше, чем у колеса 26"

фрирайда, норт-шора и тому подобных увлечений поголовно переходят на 24 дюйма, или оставляют спереди 26”, а сзади ставят 24”.

На это есть веские причины:

1. Размер 24" понадобился, прежде всего, для резкого увеличения прочности колеса. Нагрузки на колесо, особенно ударные, очень велики в экстремаль­ных дисциплинах.

2. Благодаря меньшему заднему колесу, байк становится более приемистым, ему легче ускориться на короткой дистанции перед очередным «верблюжь­им горбом» или занять более выгодное положение перед поворотом. Тут работают сразу два эффекта: уменьшаются как момент инерции колес, так и «укладка» байка, и возрастает сила тяги.

3. Такое колесо легче, чем 26-дюй мо вое, есл и, разумеется, не ста в ить оче н ь тол сту ю резину. А еще с ним можно использовать более широкие покрышки, которые не влезут между перьями рамы на колесе большего диаметра.

4. Центр масс смещается вниз и назад, особенно если у байка переднее колесо остается 26-дюймовым. В результате проще делать разные трюки.

5. Колеса меньшего диаметра мягче и более плавно обкатывают крупные колдобины, но сильнее подскакивают на мелких.

У колес диаметром 24-дюйма и меньше есть свои проблемы и минусы.

1. Меньше становится клиренс байка (расстояние от каретки от земли). Имея длинные шатуны, легче зацепиться ими или педалями о землю, особенно на вираже.

2. Выбор ободов, камер и шин на 24 дюйма пока весьма ограничен.

3. Крепеж под ободные тормоза на рамах и вилках расположен в расчете на колеса в 26 дюймов. Так что приходится ставить дисковые тормоза.

4. Если спереди стоит колесо 26", а сзади 24", то меняется геометрия байка, увеличивается нагрузка на рулевой стакан, что чревато его отломом, осо­бенно если вилка длинноходная и двухкоронная.

5. С 24-дюймовыми колесами байк становится прочнее, надежнее, манев — реннее, шустрее и быстрее разгоняется, но катит медленнее. И тут против физики не попрешь! Сопротивление качению возрастает с уменьшением диаметра колеса.

Колеса Ь V) с>юймо&

Некоторые специалисты решили пойти совсем другим путем: не уменьшать, а наоборот, увеличивать формат МТВ-колес. Несколько лет назад «замутил воду» со стандартами колес один из изобретателей горного велосипеда — Гарри Фишер. Слава ему! В 7 0-х годах он закрепил за горными велосипедами колеса размером 26-дюймов. И вместо того, чтобы преспокой­но почивать на лаврах, куря кальян, он предложил новый, 29-дюммовый стандарт для кросс-кантрийных байков. На самом деле фишеровские 29 дюймов — это давно известные дорожно-шоссейные колеса в 27” (посадочный диаметр обода 622 мм, другое обозначение размера — 700С) или гибридные колеса в 28”, но с надетой высокой, около 2 дюймов покрышкой (для гибри­дов обычно ставят покрышки шириной в 1,5-1,6 дюйма). Что же получили простые байкеры, когда салют уже прогремел, и дым рассеялся? Прежде всего — головную боль и легкую растерянность. Кроме вполне понятных про­блем с шинами, амортизационными вилками, задними перьями и ободными тормозами, возросшим весом и моментом инерции колес, главная дилемма состоит в оценке выгоды, которую может получить байкер.

Но, наконец, случилось чудо! Гарри Фишер передал журналу MBA два хардтейла, которые отличались только форматом колес. Если не учи­тывать такую мелочевку, как адаптированная на одном велосипеде вилка под 29”, обода, спицы, резина и камеры, получились близнецы-братья — без микроскопа не отличишь. Вся дальнейшая информация основывается на тесте в журнале MBA (Mountain Bike Action).

Вес: первым делом байки поставили на весы. При одинаковом обо­рудовании разница в массе составила 0,5 кг: 29-дюймовый весит 11,98 кг, а велосипед с колесами в 26” потянул на 11,48 кг. Излишек веса в 400 гр дали большие колеса, те самые вращающиеся массы, от которых про­истекает вредный момент инерции. Чуток добавили большие по размеру рама и вилка.

Стендовер: 29” — 81 см; 26” — 77 см; высота от грипсов до земли: у велосипеда под 29” — 104 см, у 26” -99 см, высота от седла до земли — 105

ЦгО

см и 104 см соответственно у велосипедов с колесами в 29 и 26 дюймов. Эти три параметра характеризуют посадку. У байка формата 29”она менее удобная, несколько «верхне-заборная», более подходящая байкеру высокого роста.

Зазор между перьями и шиной может забиться грязью, и байк при­дется тащить на себе. Внизу, где нижние перья обхватывают покрышку, наиболее критичная ситуация у 29” — зазор всего 4 мм, что явно мало несколько более благоприятная у 26” — 10 мм.

Укладка показывает, какое расстояние проедет байк за один оборот шатунов на разных передачах. Разумеется, лидирует диаметр 29”, он опережает конкурента на 4,3 см при передачах 22×34, при соотношении 32×20 его пробег больше на 11,3 см, а передача 44×11 дает пробег больше на 28,3 см. Соответственно, на 29-дюймовых колесах быстрее катить по ров­ному или вниз под уклон. Если же взбираться вверх по склону (апхилл), то ситуация изменяется, и байк с 26” выходит вперед, если катить сидя. А если в горку ехать стоя, «танцовщицей», то 29” опять же лидирует.

Кочки, корни, разбитый асфальт: 29-дюймовый «рулит не по-де­тски», катит легко, быстро и плавно, мелочей и «стиральной доски» не замечает, почти как двухподвес. Проблемы возникают на больших не­ровностях и высоких скоростях. 2 6-дюймовый сильно трясет на мелочи, а крупные колдобины он отважно обкатывает.

На виражах: велосипед с колесами в 26 дюймов быстрее, живее, от­зывчивее, лихо «пишет» крутые повороты. А 29-й — легче наклоняется, но поворачивать не спешит, стремится двигаться по прямой. Возможно, Гарри Фишер чуток не рассчитал с геометрией вилки.

Ускорение: 26-й лучше, и никаких гвоздей! 29-й разгоняется медленно, на него сильно влияют вращающиеся массы (колеса, шины и камеры).

Максимальная и средняя скорости: 29-дюймовый быстрее одно­значно, а также точнее и ровнее держит траекторию, 26-му остается только пыль глотать.

Торможение: 29” останавливается быстрее, благодаря большей площади контакта шин с грунтом.

Песок, рыхлый и мягкий грунт, снег: 29-й почти без конкуренции и по проходимости, и по путевой стабильности.

Кросс-кантри, дистанция 2 км, насыщенная препятствиями и подъ­емами: впереди с большим отрывом в 40,9 секунд 26-дюймовый.

ВЫВОДЫ: сенсации не получилось. Для кросс-кантрийных гонок по сравнительно твердому грунту, да еще в горку, 26-дюймовый существенно лучше. Зато 29-й дает больше комфорта, путевой устойчивости,, проходи­мости по песку и снегу и ведет себя чуть лучше, если ехать вниз.

При этом байки с колесами 29” изредка выигрывают этапы Кубка мира по кросс-кантри.

И

Есть новомодное решение «69ег», где заднее колесо ставится стан­дартное, на 26”, а спереди устанавливается 29-дюймовое колесо. Осо­бых плюсов этой конструкции не просматривается, кроме чуть лучшей проходимости, большое колесо легче накатывается на препятствия. Но тут желательно ставить какую-нибудь особо толстую 3,5-дюймовую покрышку на заднее колесо как естественный амортизатор.

промежуточный стандарт

Речь идет о т. н. стандарте 650В. Это велосипед с колесами диаметра большего, чем 26”, но меньшего, чем 29”. Иногда их называют 27,5-дюй­мовыми, посадочный диаметр обода 584 мм (хотя во Франции, например, они известны как 26,5-дюмовые). Заявленные преимущества взяты из плюсов колес 29” , но при этом минимизированы их минусы. Эдакий ком­промиссный вариант, поддержанный компаниями Haro, Kenda и рядом других. Не совсем понятная ситуация, правда, возникает с амортизаци­онными вилками. Например, известно, что 26-дюймовая модель Fox F100 позволяет устанавливать 27,5” резину. А вот Rock Shox Reba, например, этот формат в обычной ширине 2-2,1” ул^е не переварит. Эксперименты с шириной резины и разными колесами позволяют широко варьиро­вать 650В-колесами на самых разных велосипедах, от 26-дюймовых до шоссейников стандарта 700с, но это просто последствия компромисса, порожденного средним значением размера. Перспективы этого стандарта пока совершенно не ясны.